上汽大眾Viloran車顆粒捕集器及其再生機制

李東江

汽油燃燒都會產生一定量的有害成分，在空燃比λ=1時的廢氣組成情況如圖1所示。由圖1可知，汽油機燃燒時產生的顆粒物排放非常微小，但卻對環境和人們的身體健康會造成傷害，因此排放法規對顆粒物的排放水平要求越來越高（表1），為了滿足國6排放標準的排放限值要求，減少顆粒物的排放，上海大眾有針對性地采取了一些技術措施，一是提高燃油噴射壓力，直噴發動機怠速的燃油壓力已經達到了大約100 bar（1 bar=100 kPa），最高燃油壓力提到了大約350 bar，從而使燃油液滴更小，燃油霧化速度更快，燃油燃燒更充分，減少了顆粒物的生成；二是通過改進發動機的燃燒室、噴油器結構和控制噴油正時，減少顆粒物的排放；三是在部分汽油發動機上加裝了顆粒捕集器（OPF）。目前大眾EA211 1.5 L MPI發動機和EA888 2.0T高功率（162 kPa）的發動機不帶OPF；EA211 TSI發動機和C6 2.5T發動機都帶有OPF；EA888 2.0TBZ低功率發動機，全新帕薩特、途岳車型不帶OPF，其他車型都帶OPF。

表1 國6Ⅰ型試驗排氣污染物的限值及和國5排放標準的對比（單位：mg/km）

圖1 汽油機在空燃比λ=1時排放的廢氣組成情況

1 汽油機顆粒物的生成機理及排放限制

汽油在氣缸中燃燒生成的顆粒物主要由炭灰和塵灰兩種物質構成。

（1）炭灰顆粒。炭灰顆粒主要由碳組成。當沒有足夠的氧氣來完全燃燒含碳燃料或者燃料沒有充分霧化時，就會形成炭灰，因此，直噴發動機在低溫冷起動后的短時間內更容易產生炭灰顆粒。為了防止燃燒生成的炭灰顆粒隨著排氣排入大氣，污染環境，目前公認的最有效的解決顆粒物排放的方式是在排氣系統中用加裝OPF，將燃燒生成的炭灰顆粒捕捉住。但隨著OPF捕捉住的炭灰顆粒增多，會造成發動機排氣不暢、排氣阻力增加、排氣背壓升高，從而造成發動機加速不良、加速無力、動力不足、油耗增加。因此，OPF捕捉住汽油燃燒生成的炭灰顆粒并不是難事，難的是捕捉住這些炭灰顆粒之后怎么辦？對于裝備有OPF的車輛，都設計有OPF的再生機制，當OPF捕捉到的炭灰顆粒物達到一定量的時候，系統便會起動OPF再生，通過高溫、過量氧氣來燃燒掉OPF捕捉到的炭灰顆粒。由此可見，OPF中的炭灰顆粒沉積是可逆的，只要控制好OPF的再生，便可以確保OPF長期有效的工作，有效控制顆粒物的排放。

（2）塵灰顆粒（灰分）。一方面空氣中含有大量的顆粒物，通過進氣管道進入燃燒室，這些顆粒物在燃燒室中是無法燃燒的，也會隨著排氣進入排氣系統，被OPF捕捉住；另一方面，在發動機工作過程中，機油多多少少總是會進入氣缸的，再加上通過發動機曲軸箱通風系統進入氣缸的機油，而機油中含有硫磷鎂等元素、灰分、各種各樣的添加劑，此類物質進入燃燒室，燃燒后會產生大量的塵灰顆粒。塵灰顆粒同樣會被OPF捕捉住，但是由于塵灰顆粒在OPF再生期間是不會被燒掉的，隨著時間的推移，塵灰顆粒在OPF中沉積過多，依然會導致OPF堵塞，此類的OPF堵塞是不可逆的，只能采用物理的方式進行清除，這就希望裝有OPF的車輛盡量不產生或者少產生塵灰顆粒，因此對于裝備用OPF的汽油發動機，需要有針對性地使用低硫磷、低灰分的0W-20機油（對于大眾車型，要求使用通過大眾VW508認證的機油，或使用通過ACEA的C系列標準或ILSAC的GF-6認證的機油）。一般來說，對于裝備OPF的車輛，機油的使用信息都會在機油加注口蓋上進行標注。

2 上汽大眾Viloran車發動機OPF系統的構成和工作原理

像上汽大眾Viloran車裝備的DKX 2.0 L直噴發動機，最大功率為162 kW，最大轉矩為350 N·m，其燃油最高噴射壓力為350 bar，采用按需調節的燃油供給系統和機油供給系統、凸輪軸通過正時鏈條驅動、進排氣側的雙凸輪軸調節器和排氣側氣門升程調節系統（AVS），其排氣管集成在氣缸蓋中，帶有用于發動機溫度調節執行元件（N493）的創新型熱管理系統，并通過帶有電動廢氣旁通閥的廢氣渦輪增壓器進行增壓，且帶有燃油箱泄漏診斷系統。由于其將高壓燃油壓力提升到了350 bar，并優化了高壓噴油器，改善了噴油霧化性能，從而降低了顆粒物的排放，即便其在排氣系統中不使用OPF裝置，其顆粒物數量（PN）的排放量也低于國6b排放標準要求的限值（6.0×1011個/km），因此該發動機就不帶OPF裝置。而上汽大眾Viloran車裝備的DPL 2.0 L雙噴射發動機，最大功率為137 kW，最大轉矩為320 N·m，其燃油的最高噴射壓力為250 bar，雖然同DKX發動機一樣，也采用按需調節的燃油供給系統和機油供給系統、凸輪軸通過正時鏈條驅動，其排氣管集成在氣缸蓋中，帶有用于發動機溫度調節執行元件（N493）的創新型熱管理系統，并通過帶有電動廢氣旁通閥的廢氣渦輪增壓器進行增壓，帶有油箱泄漏診斷系統，該發動機也采用進排氣側的雙凸輪軸調節器和氣門升程調節系統（AVS），只是該發動機是進氣側氣門升程調節系統（AVS）。由于該發動機的高壓燃油壓力為250 bar，在排氣系統中不加裝OPF，其顆粒物數量（PN）的排放無法達到國6b排放限值的要求（6.0×1011個/km），因此該發動機的排氣系統中就必須裝備有OPF。

圖2所示為上汽大眾Viloran車尾氣排放系統的布局，由圖2可知，該車尾氣排放系統的布局是三元催化轉化器在前端，其上下游各有一個氧傳感器（三元催化轉化器上游氧傳感器GX10和三元催化轉化器下游氧傳感器GX7），之后才是OPF裝置，在OPF的上下游各安裝有一個溫度傳感器（OPF上游溫度傳感器G506和OPF下游溫度傳感器G527）和一個壓差傳感器（G1037），壓差傳感器用于監測OPF上下游的壓差，ECU根據壓差傳感器的信號來判斷OPF的堵塞程度。當壓差傳感器監測到的OPF上下游的壓差超過設定的限值時，將觸發OPF的再生程序對OPF實施再生。

圖2 上汽大眾Viloran車尾氣排放系統的布局

OPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置，在OPF內部安裝有多孔陶瓷材料，過濾體內有很多平行孔道，如圖3所示，相鄰的兩個孔道內一個只有進口開放，另一個只有出口開放，排氣從開放的進口孔道流入，通過OPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內，從而實現捕集顆粒物的作用。OPF雖然可以有效地捕集排氣中的顆粒物，但隨著捕集顆粒的增多，排氣背壓也會升高，影響汽車的動力性和經濟性。因此，當OPF中的顆粒累積到一定程度時，通過調節發動機運行工況（例如斷油、推遲點火角等），使OPF中的顆粒氧化燃燒，即OPF的再生，去除OPF中的顆粒物，最終實現“捕集－再生－捕集”的良性循環。要實現上述“捕集－再生－捕集”的良性循環，就必須能判斷OPF中捕捉到的顆粒物的多少，根據需要啟動OPF再生程序，將OPF中捕集到的顆粒物氧化燃燒掉。判定OPF捕捉到顆粒物的多少，可以采用壓差法和溫差法。

圖3 OPF結構和工作原理

研究表明，OPF會對通過的排氣產生“阻礙”作用，其阻礙作用主要包括過濾體壁面和覆蓋其上的顆粒的流動阻力（ΔPwall）、進出口通道的沿程阻力（ΔPin&out）及排氣流入流出時由于截面變化引起的壓縮/膨脹阻力（ΔPcont+ΔPexp），這種“阻礙”作用的宏觀表現就是壓降，即P1和P2會有一定的壓力差值（圖4）。不同狀態下的OPF，其壓降表現也不同，當OPF載體發生性能下降，甚至損壞、移除失時，排氣流經OPF時的壓降就會發生相應變化。上汽大眾Viloran車采用壓差傳感器監測OPF上下游的壓差，并將監測到的壓差信號以SENT（單邊緣漸進傳輸）信號的形式傳輸給ECU（J623），ECU據此判定OPF的顆粒物的累積量（堵塞程度），并根據需要啟動OPF再生程序。

圖4 壓差傳感器的監測OPF堵塞程度的原理

由于OPF一般是由陶瓷載體（如董青石）制備而成，基于該載體材料熱容的存在，在發動機瞬態工況點，變化的排氣氣流溫度流經OPF時，在OPF下游溫度相對上游溫度會產生一定的“延遲”效應。因此，從物理原理上說，可通過OPF上下游的溫度傳感器，根據溫度變化“延遲”程度的不同（圖5），對OPF堵塞程度、移除或丟失進行判定。上汽大眾Viloran車OPF上下游各安裝有一個溫度傳感器（圖6）監測OPF上下游溫度，G506和G527通過共同的連接器GX41將監測到的溫度信號以SENT（單邊緣漸進傳輸）信號的形式傳輸給ECU（J623），ECU也可以據此判定OPF的顆粒物的累積量（堵塞程度），并根據需要啟動OPF再生程序。

圖5 OPF溫度特性

圖6 上汽大眾Viloran車OPF上下游溫度傳感器

上汽大眾Viloran車OPF系統傳感器件的作用和故障影響見表2所列。

表2 上汽大眾Viloran車OPF系統傳感器件的作用和故障影響

3 上汽大眾Viloran車發動機OPF再生

OPF再生取決于OPF的堵塞程度和再生先決條件。OPF再生時OPF溫度需足夠高并且λ>1。上汽大眾Viloran車OPF共有被動再生、主動再生和車間再生等3種再生類型。被動再生就是車輛在正常行駛時，J623根據傳感器計算的OPF顆粒物累積量根據需要啟動再生程序進行的，被動再生在沒有使用特殊措施的情況下持續進行，客戶基本沒有異常感受。盡管存在被動再生，但如果駕駛人的駕駛行為不滿足被動再生需求，OPF中的顆粒物累積量超過一定數值后，儀表盤顯示屏上的OPF警告燈會亮起黃燈，系統也會啟動關閉自動啟動功能等措施，此時駕駛人會感到車輛動力不足、加速不良、油耗增加等異常情況，出現這種狀態，可以保持發動機較長時間的高速運行以滿足主動再生的要求，實現OPF的再生。在某些情況下，如果主動再生在車輛行駛期間仍無法滿足需求，OPF中的顆粒物累積量超過設定的限值，儀表盤上的OPF警告燈會亮起，同時發動機管理系統將額外點亮發動機故障燈和EPC指示燈，發動機動力輸出受限，在儀表盤上還會顯示OPF需要再生的信息，出現此種情況駕駛人就需要到服務站進行車間再生。上汽大眾Viloran車2.0TBZ發動機DPL的OPF再生策略見表3所列。通過使用故障檢測儀的引導型功能可以執行OPF的維護再生，在執行OPF維護再生的過程中要注意安全提示和滿足OPF再生要求的條件，成功的OPF再生可以使顆粒物的累積量降低到低水平，完成再生后OPF可完全正常使用。

表3 上汽大眾Viloran車2.0TBZ發動機DPL的OPF再生策略